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标题: 李涤尘：快速成型技术将改变人类未来生活方式 [打印本页]

作者: sunsong7 时间: 2011-2-17 14:45 标题: 李涤尘：快速成型技术将改变人类未来生活方式

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作者：李涤尘来源：科学时报发布时间：2011-2-17) Z* ~8 t2 T$ w8 L3 F  _' I: K$ R
利用快速成型技术，未来我们也许可以打印房屋、定造器官。
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我们将在家里自制个性化产品，每个人都能成为创造的主体。
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李涤尘，西安交通大学博士生导师，长江学者特聘教授，机械制造系统工程国家重点实验室主任。
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□李涤尘
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想不受限制快速地制作任何形状的物件吗？ 0 [7 q; E7 w+ Q. p  p) E
只要轻轻点一下“打印”按钮，车床、铣床、刨床、加工中心、经验丰富的工人以及小心翼翼的切割、打磨、焊接……这些我们熟悉的传统制造场景，可能都被小小鼠标取代。

这是一项什么样的技术？
“一项将要改变世界的技术。”2月10日刚刚出版的英国《经济学人》杂志以封面文章的形式报道了它——三维打印技术。封面上是一把“打印”出来的小提琴。2 q* A( K) R. l
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文章说，正像人们无法在18世纪50年代预见蒸汽机的影响，无法在15世纪50年代看到活字印刷的未来，无法在上世纪50年代料到晶体管的冲击；人们目前还很难充分估计三维打印技术改变世界的力量。
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三维打印不是“纸上谈兵”，其原理是使用类似喷墨打印机的喷头，将材料根据设计数据一点一点喷射出来，直接堆积成各种立体零件。

这一技术是快速成型方法的一种。  Y1 M: {$ |' h& w" F
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把材料累加
建造房屋是我们司空见惯的工程。房屋是一砖一瓦堆砌出来的，任何形状的房屋都可以用这种方法构建出来。这种原理形成了材料累加的制造方法，就是使用材料逐层累加制造三维物体。3 T' d/ n. Y8 {! P4 R5 h7 ?
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在机械制造领域，最早使用材料累加方法制造零件的人是英国的一个博士研究生。上世纪80年代后期开始，随着计算机、激光和新材料技术的发展，材料累加制造原理在机械制造领域迅速应用开来。“快速原型制造”（Rapid Prototyping）、“累加制造”（Addition Manufacturing）、“实体自由制造”（Solid Free Fabrication）……各异的叫法分别从不同侧面表达了这种制造方法的特点，其中使用较多是“快速成型制造”。- j7 @+ X/ B+ Z$ Q; `/ J

这一技术不需要传统的刀具、机床、夹具，可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型，从而实现“自由制造”。而且可以打造许多过去无法一次完成的模型，例如中空结构等，大大减少了加工工序，缩短了加工周期。

这马上给工业产品的造型开发、工艺品的计算机设计提供了最为便捷的制造工具，使产品开发速度数十倍地提高。而且结构越是复杂的物体，其提速作用越显著。

材料累加成型的原理与不同的加工工艺和材料结合，形成了许多制造设备。目前已有的设备技术种类达到20多种，其中主要有光固化快速成型技术、选取激光烧结技术、三维打印技术等。其中，三维打印技术是1996年以来发展最快的快速成型技术，其特点是成本低，可以制作出带有色彩的三维物体，但是制作精度较低。+ o' ^2 {2 b& f5 x3 d' x
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在产品创新中大显身手 0 N7 k4 C, }2 W' |2 A- X2 I5 k
快速成型技术一出现就取得了迅猛发展，在消费电子产品、汽车、航空航天、医疗、军工、地理信息、艺术设计等各个领域都得到了广泛应用。单件快速制造，可以应用于产品的研发阶段或单件小批量制造——这一特点决定了快速成型在产品创新中具有显著作用。
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可以说越是创新快的地区，对快速成型的需求越强烈。快速成型市场中，美国和欧洲占据了70%多的装机量，它们的许多产品都是在快速成型技术帮助下开发出来的。8 L' t( A! d! b4 W7 _6 d, K, n

美国的一家血压监测仪器生产商，使用三维立体打印机的概念模型，很快开发出了新产品。工程师认为：“使用概念模型可以使我们比以前更快地捕捉设计错误，并且在相同时间内以一个更好的产品结束。”: q. |5 Z0 w& W# E
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一家公司为谷歌SketchUp软件设计了一个插件，允许使用者从一个建筑物概念设计连接到三维打印机输出，直接产生一个基本尺度的建筑模型。
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快速成型还可以与金属铸件结合，并且延伸到许多工业领域。比如，这一技术使首饰行业发生了巨大的变化。三维立体打印技术可以快速制造出极其精细、精确的珠宝样式，这是传统的手工加工技术所不能实现的。有的珠宝商已经用该技术订制金饰。又如，美国利用快速成型技术制作无人机的风洞模型，使得无人机研发速度大幅提高。2 [9 k# s; q5 h6 W) Z* f, H' w
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快速成型技术在医学上的应用则是一个崭新的方向。该技术可以制造手术方案所需的模型。例如，在加州大学洛杉矶分校，医生曾遇到如何安全地给连体婴儿做分离手术的问题。这对双胞胎出生时头部相连，虽然大脑、动脉是分开的，但头部的静脉血管却相互交织，手术时需要将其分离。通过快速成型机，医生们制造出婴儿头部动静脉血管的模型，从而提前制定出详细的手术计划。医生亨利说：“不需要别人帮助，我们就可以把以前需要97个小时的手术减少到22个小时。”
目前还有工程师与医生合作，使用快速成型技术给患者定制骨骼替代物，帮助患者修复缺失的骨骼。新的研究方向甚至用三维打印机直接把细胞堆积出来，经过体外培养去制造复杂的器官。
也许有一天，我们能够像今天配中药一样，给自己定制器官。

改变人类未来生活方式的技术
快速成型技术虽然有美好的发展前景，却也面临巨大挑战。目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了工艺的实现。在成型材料上，目前主要是有机高分子材料，比如光固化树脂、尼龙、蜡等。金属材料直接成型是近十多年的研究热点，正在逐渐转向工业应用，但难点在于如何提高精度。3 T+ [* i$ M5 y# b, W

由于市场需求的变化，快速成型技术发展趋势表现在3个方面。
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首先是快速成型制造技术本身的发展趋势。三维打印技术是国外近年来的发展热点，有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。而金属直接成型技术使得金属结构零件可以直接制造，不久就可以在工业领域获得应用。

快速成型技术进一步的发展方向是陶瓷零件和复合材料的快速成型。

以三维打印为代表的低成本快速成型技术会使制造产品越来越容易，也许有一天制造一个物品就像我们现在使用打印机一样方便，自己在家里就可以设计制造戒指、耳环，甚至假牙等，这将大大改变我们的生活方式，使得想象力得以实现，激发人们的创造力。8 q# S5 E1 X! f% W8 ]  C! v- J
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在快速成型技术发展的同时，也会使仿制越来越容易，难免会产生知识产权纠纷。但是，如果制造技术非常容易，简单的仿制就没有更多市场，人们会更加乐于进行改进，以求得自己的个性化，这样就会使产品更加丰富多彩，每个人都会成为创造的主体。随着科学技术的发展，快速成型设备的成本越来越低，20年内这一理想是有可能实现的。: s7 |& j( g9 K$ o0 {$ L1 z

我们再来看快速成型应用领域的拓展趋势。快速成型可以为汽车新品开发提供快捷的支撑技术，为人工定制化假体制造、三维组织支架制造提供有效的技术手段。快速成型还在向着创意设计、建筑模型制造、地理模型制造、航空航天器件制造等领域发展，为各行各业提供简单快捷的工具。

在学术思想的发展趋势方面，快速成型正从过去的外形制造向材料组织结构与外形结构设计制造一体化方向发展。研发人员正力图实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如利用细胞打印技术制造器官，三维打印机可以根据设计数据，在各位置用所需材料堆积出血管、肌肉组织等微结构（微观结构制造），这些微结构堆积起来形成了大尺寸的器官（宏观结构制造）。这一发展方向将给制造技术带来革命性变革。4 M9 s# ?! b. G" o  H- t8 Z2 Q: @
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应该说，与产品创新结合是快速成型技术发展的根本方向，也是实现创新型国家的利器。人们通过新制造技术和设备的进步，逐步从理想王国向自由王国挺进。: u0 ]9 O6 g' M4 @# M1 Z

值得关注的是，在快速成型技术新设备研发和应用方面，我国落后于欧美国家，尤其在三维彩色打印技术方面，我国缺少研究与开发。在应用上，我国许多行业缺少后续技术研发，在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面，没有形成系统技术体系，企业没有很好将此技术应用在产品开发方面。另外，快速成型尤其适合航天产品中零部件单件小批量的制造，其成本低、效率高。目前，快速成型技术在国外的航空领域有超过8%的应用量，发达国家在航空航天器的研制中不断尝试应用快速成型技术，而我国的应用量则非常低。（责任编辑：肖洁）# `" q! I5 \+ A1 c2 y7 m

作者: sunsong7 时间: 2011-2-17 14:47

干细胞快速成型经典案例 http://www.stemcell8.cn/thread-34350-1-1.html U6 g- s- }, u) p

作者: sunsong7 时间: 2011-2-17 14:54

美开发皮肤“打印机” 可促进伤口快速愈合 ' {6 b3 M' {+ B/ T5 |: X

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据美国《技术评论》杂志网站10月30日报道，通过使用一种类似喷墨打印机的设备和装满了活体细胞的“墨盒”，美国维克森林大学的研究人员实现了对皮肤组织的人工制造。目前该设备已在动物实验中获得了成功，并被证明具有促进伤口快速愈合的功效。
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该设备是美国维克森林大学再生医学研究所在日前召开的美国外科医师学会上推出的。设备主体采用与印刷行业中常见的喷墨打印机类似的技术，但以活体细胞和其他液体为“墨水”，通过多种物质的混合和化学反应即可在创面上打印上一层活体组织细胞。; h% Y7 i: k' \6 d! C* {$ D' r
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研究人员称，皮肤组织对伤口的愈合至关重要，人体表面直径大于4厘米的皮肤缺失就会导致伤口无法自行愈合。战场急救中常见大面积外伤或烧伤所带来的皮肤缺失便是其典型代表，一直是困扰医疗工作者们的一大难题，同时也是造成感染甚至致死的一大主要因素。

据研究人员介绍，该“打印机”有两个喷头：一个喷头喷出的是皮肤细胞与纤维蛋白原（一种血液凝固剂）以及I型胶原蛋白（疤痕结缔组织的主要成分）的混合物；另一个喷头喷出的主要是凝血酶（另一种凝结剂）。这几种物质一旦混合就会立即发生化学反应，因此在打印之前必须将其完全隔离开来。在打印时，两个喷头喷出的物质会迅速反应并形成纤维蛋白，同时也会起到凝血的作用。在这一步完成后，其上会被覆盖一层类似于皮肤细胞的角化细胞以起到保护作用。
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通过小鼠实验，研究人员发现，经过该设备治疗的小鼠的伤口均在第二周或第三周愈合，三周后小鼠的创面已完全闭合并生成了疤痕组织。下一步，研究人员还将在与人类皮肤组织更为接近的猪上进行类似的实验，以验证该技术的可靠性。

作者: sunsong7 时间: 2011-2-17 14:55

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科学家首次用三维打印机成功复制拇指骨骼
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据《新科学家》网站3月9日报道，最近，科学家第一次使用三维打印机成功复制出一个男人的拇指骨骼。这一突破为外科医生将病人损坏或患病的骨头用自身的细胞复制一份相同骨头的医学技术铺平了道路。% P8 S- C( s( j! P

瑞士伯恩塞尔医院的柯瑞斯·威南德（Christian Weinand）领导了这一研究小组并成功复制了他自己的拇指骨，他说：“在理论上，我们可以复制任何骨。”

威南德还在实验室老鼠的背上“种植”了他的拇指骨，早在1997年，马萨诸塞综合医院(Massachusetts General Hospital)的杰伊·森提（Jay Vacanti）用相同的方式，利用人类的软骨细胞培植了一只人耳。. Q4 O8 U3 E6 T" S: q) y3 l& o

然而，威南德称，其实用实验鼠替代人体是不必要的。例如，如果有人失去了拇指，可以在原位长出复制的骨头。现在，唯一的选择是，用病人自己的脚趾代替他的拇指，或用其它地方的骨头碎片。

复制骨头需要几个步骤。首先，你需要一张所需复制骨头的三维图，如果骨头丢失了或损坏了，你可以用一对相同骨头中的另一个设法照出一张镜像图。图像被放到一个三维喷墨打印机里面，打印机里面添加有薄薄的多层选料，一层叠一层，直到三维物体成形。( w: E1 R8 {. r7 Z: a3 i7 W

威南德在打印机里放上了人体中含有的磷酸三钙和聚乳酸这两种自然材料。骨骼细胞被打印出来后将被种植在一个支架上，骨骼“支架”上有成千上万的小气孔，从而有利于骨细胞的生长，并最终取代和完全降解生物支架。

研究小组做了交换手术后，从骨髓中提取了CD117细胞，CD117细胞在实验中将发展成骨细胞的原始细胞。科学家利用骨支架材料上的一种凝胶体滋养和培育原始细胞。最后，经过15周的时间，支架在老鼠背上的皮肤下缝合，直到支架完全转变成人骨。

英国布里斯托尔大学的干细胞研究员安东尼克·霍兰德（Anthony Hollander）说，这一研究项目曾在一年前获得了一大突破。芬兰坦佩雷大学的瑞塔·苏能(Riitta Suuronen)组织的研究小组将一名男子的颚骨“支架”放在他自己的腹部培育了9个月。在这个实验中，这些干细胞来自患者自身的脂肪细胞。

霍兰德说：“这种复制骨头法的好处是能保证骨头长得跟原来的一样，下一步我们将会证明这种深植法是有效的，且在深植的过程中获得血管。”威南德说：“实验证明血管可从老鼠身上获得足够的营养，所以同样的方法也可用在人身上。我希望在不久的将来能在诊所为病人复制骨头。尽管还需要做更多深入的探索，但这项技术的美好前景是可以确定的。”0 s4 ~3 l, S3 Q$ m9 t' n

作者: sunsong7 时间: 2011-2-28 11:12

美科学家研发出多用途三维生物打印机   : j9 b( l* n# [: ]9 o
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据美国物理学家组织网2月24日报道，随着三维打印机的应用领域不断扩展，现在，美国科学家研发出了能打印出皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”。) _6 H% s9 D) ?+ J
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三维打印机通过将材料先逐行铺开后逐层垂直铺展的方式来打印。人们使用三维打印机来制造雕塑并修复雕塑；制造由塑料和聚合物制成的三维物体；打印出了食品。7 u0 j. A5 N0 Q1 R! x4 b
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美国北卡罗来纳州维克森林大学再生医学研究所教授詹姆斯·刘在美国科学促进协会（AAAS）的年度大会上表示，其研究团队研发出了一套系统，该系统可以打印出皮肤，打印出的皮肤可直接用在烧伤的伤口上。8 f  G5 Q& Q! \% T# I+ n/ g: w
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该生物打印机内置有激光扫描仪，扫描仪能快速扫描受伤部位，分析伤口的位置、大小、深浅等，相关扫描信息被转化为三维数字图像发送给打印机，打印机能据此计算出需要喷射多少层皮肤细胞来让伤口恢复到原初的状态，并打印出皮肤，当将打印出的皮肤喷在伤口处时，这些皮肤能保护伤口、加速重建受损的组织，且留下的疤痕较少。该打印机已成功地打印出了10平方厘米的猪的皮肤。

该团队希望最终研发出一套便携生物打印系统来治疗在伊拉克和阿富汗战场上受伤的士兵，在这些战场上，有30%的受伤与皮肤有关，他们的研究由美国国防部资助。' T  ^8 V' A7 ]
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纽约康奈尔大学计算合成实验室的主任胡迪·利普森领导的研究团队也在该年度会议上表示，他们利用一台生物打印机，打印出了一只用硅制成的耳朵。该研究团队利用人耳的扫描信息和相关的三维坐标信息，使用硅凝胶而不是人的耳朵细胞，打印出了该耳朵模型。

利普森团队已经进行了一系列相关的实验，比如使用生物打印机修复受损的动物骨骼等，但利普森表示，还有很多技术挑战需要克服。生物打印机最开始可能被用于修复软骨，因为软骨的内部结构相对简单，而且血管很少。

在动物身上进行的实验表明，用生物打印机打印出软骨“非常成功”。利普森团队已经成功地打印出了软骨系统，并将其直接放入受伤膝盖上的半月形伤口处，以便让该膝盖复原。; W5 v: @- ^0 i0 o" ~2 E5 K
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生物打印机面临的挑战之一是，其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合？因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连，而这可能非常难实现。利普森表示，一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术。4 w5 D/ `5 q; y+ S* @( m9 G
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作者: sunsong7 时间: 2011-3-21 14:08

英发明世界首辆通过电脑打印出来的自行车 6 c& M" X, A3 W4 q6 P+ `3 u

“空气自行车”比普通钢铝结构自行车轻65%，但却一样坚固。

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据英国媒体报道，英国的科学家发明出了世界上第一辆通过电脑打印出来的自行车：空气自行车(Airbike)。1 N6 L% S- i( q8 U+ B. b4 {. I

近日，位于英国菲尔顿的欧洲航空防务与航天集团(European Aeronautic Defence and Space Group)展示了一辆新型自行车，尽管外形上并没有太多的特别之处，但据该集团的科学家介绍，这辆自行车是使用一种添加剂层制造技术(Additive Layer Manufacturing)打印出来的。5 [" [( m, r" v3 m0 D
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据了解，“空气自行车”使用尼龙为材料制作，与钢铝结构的车一样坚固，但重量却减轻了65%。科学家们先在电脑上进行设计，随后由打印机将融化的尼龙材料层层叠加，制造出自行车。

据介绍，这种3D打印技术只需要使用普通方法1/10的材料，未来可以广泛地应用在航空与汽车制造业。

作者: kevinaoo 时间: 2011-5-12 19:26

还是要加油啊

作者: sunsong7 时间: 2011-5-19 19:26

作者：Daniel A. Fletcher 来源：PNAS 发布时间：2011-5-19 8 S- d+ | i* M* _, z7 W
科学家用打印机制成人造细胞膜 5 f9 e' x0 A9 \+ V7 S7 P5 R
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最新一期美国《国家科学院院刊》（PNAS）刊登报告说，奥地利和美国的科学家成功制成了一种人造细胞膜，并用它模仿了细胞的物质交换。
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人体的每个细胞都由一层由脂质构成的薄膜包裹，这层细胞膜能够允许分子交换，从而实现细胞内部和外部之间的物质交换。

参与研究的奥地利科学家埃娃·施密德介绍说，生物学家、物理学家及工程师通过跨学科的合作，利用喷墨打印机，制造出了这种人造细胞膜。刚开始，脂质是平的，像是一块展开的幕布。但随着蛋白质经由一台喷墨打印机的常规喷嘴射向这片薄膜，平展的脂质随即发生弯曲，并向外伸展，最后将蛋白质包裹住并形成球状，形成了人造细胞膜。
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科学家随后利用试验证实，这种人造细胞膜具有与天然细胞膜一样的物质交换功能。3 c- u) v2 E5 [6 h4 I

人造细胞研究原则上属于合成生物学领域，目前仍处于十分基础的阶段。但它在未来医学领域中却拥有很好的应用前景。通过这项技术，科学家们将能够使得药物的有效成分进入某些细胞内部，从而达到更有效医治某些疾病的目的。（来源：新华网刘钢）

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作者: sunsong7 时间: 2011-10-31 15:07

美国研制科幻版皮肤喷枪数天使烧伤皮肤重生 http://www.stemcell8.cn/thread-34350-1-1.html
活体器官生物打印机制造静脉全程揭秘 http://www.stemcell8.cn/thread-40076-1-1.html
美国开发出一款生物打印机 http://www.stemcell8.cn/thread-24497-1-1.html
先进的新“生物打印”技术 http://www.stemcell8.cn/thread-638-1-1.html& R: r+ @/ U& t4 Z) ?7 o; E
《生物微流体》：胚胎干细胞生物打印技术问世 http://www.stemcell8.cn/thread-46464-1-1.html
英工程师首次“打印”出飞机时速约160公里 http://www.stemcell8.cn/thread-44180-1-1.html
美国科学家欲研制移植皮肤打印机 http://www.stemcell8.cn/thread-35068-1-1.html* d' V1 F4 O' D: {3 R: V1 v6 n x- I
美科学家用“生物打印”技术修复人体器官 http://www.stemcell8.cn/thread-1313-1-1.html
细胞“打印机”让骨骼嫁接成为可能 http://www.stemcell8.cn/thread-950-1-1.html

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